一种碱性电解水催化剂及其制备方法和应用

本发明涉及电解水制氢，更具体地涉及一种碱性电解水催化剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着能源短缺和环境污染等问题日益严重，寻找一种能够替代化石燃料的可再生清洁能源逐渐成为各国政府关注的焦点。由于氢气的高能量密度和无碳特性，在燃料电池等新能源领域备受瞩目。电解水制氢可以利用太阳能、风能等产生的不能并入电网的废电来作为能源，直接生成高纯氢和氧来满足新能源市场的需求。然而，在电解水制氢过程中，氧气析出反应(oer)具有较高的过电势和缓慢的动力学性能，一直是限制整个电解水系统能量转化效率的瓶颈。

2、现有技术通常需要贵金属材料作为催化剂，如二氧化铱、二氧化钌等，其自然界中储量低且价格过高因而制约了其发展。现有的镍铁氢氧化物催化剂制备条件为高温高压，严苛的实验条件不适合大规模制备，制备成本高。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术中的价格过高等问题，本发明提供一种碱性电解水催化剂及其制备方法和应用。

2、根据本发明的碱性电解水催化剂的制备方法，其包括如下步骤：s1，对基体进行超声处理以去除表面杂质，得到预处理的基体；s2，将镍盐、碱和铁盐溶解在去离子中得到混合溶液，镍盐与铁盐的比例为0.5mmol～0.625mmol:0.125mmol～0.5mmol，将预处理的基体浸泡在混合溶液中在50-100℃温度下进行水热反应；s3，冷却，清洗，干燥，得到具有纳米片堆叠结构的双金属或三金属层状氢氧化物作为碱性电解水催化剂。

3、优选地，碱性电解水催化剂为双金属的镍铁层状氢氧化物(nife-ldh)，或为三金属的镍铁基层状氢氧化物nifeco-ldh、nifemn-ldh、nifecu-ldh、nifezn-ldh、nifemo-ldh、niferu-ldh、nifew-ldh、nifept-ldh或nifela-ldh。

4、优选地，基底为泡沫镍、泡沫镍铁、泡沫铁、镍网、不锈钢网、镍铬合金网或镍粉。

5、优选地，在所述步骤s1中，将基体裁剪成块状，分别在丙酮、盐酸、蒸馏水、无水乙醇中进行超声清洗。在一个优选的实施例中，块状大小为1cm×1cm，超声清洗时间分别为10min。应该理解，1cm×1cm是常用尺寸，其他任意尺寸也可以，例如0.5cm×0.5cm，0.5cm×1cm等。

6、优选地，镍盐为硝酸镍、硫酸镍或氯化镍。在一个优选的实施例中，镍盐为六水合硝酸镍。

7、优选地，铁盐为氯化铁、硫酸铁或硝酸铁。在一个优选的实施例中，铁盐为六水合氯化铁。

8、优选地，碱为脲、尿素、氨水、氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸氢钠、碳酸钠、碳酸钾或碳酸氢铵。应该理解，这里的碱可以调节混合溶液的ph到10-12。

9、优选地，镍盐、脲、铁盐和去离子水的比例为0.5mmol～0.625mmol:0.25mmol:0.125mmol～0.5mmol。在一个优选的实施例中，镍盐、脲、铁盐和去离子水的比例为0.625mmol:0.25mmol:0.125mmol:50ml。应该理解，不同摩尔量的镍盐与铁盐的摩尔比不同，碱性电解水催化剂的oer性能也不同。当镍盐、脲、铁盐和去离子水的比例为0.625mmol:0.25mmol:0.125mmol:50ml时，碱性电解水催化剂的电催化oer性能最好。

10、优选地，水热反应的反应温度为90-100℃。在一个优选的实施例中，水热反应的反应温度为100℃。

11、优选地，水热反应的反应时间为6-8h。在一个优选的实施例中，水热反应的反应时间为7h。

12、优选地，在所述步骤s2中，将称取镍盐、脲和铁盐至玻璃烧杯中，向玻璃烧杯中加入去离子水，搅拌得到混合溶液，将预处理的基体浸泡在玻璃烧杯的混合溶液中，将玻璃烧杯放入水浴锅中进行水热反应。在一个优选的实施例中，磁力搅拌时间为5min。

13、优选地，所述步骤s2还包括将钴盐、锰盐、铜盐、锌盐、钼盐、钌盐、钨盐、铂盐或镧盐溶解在去离子中得到混合溶液。在一个优选的实施例中，钴盐为硝酸钴。在一个优选的实施例中，锰盐为乙酸锰。在一个优选的实施例中，铜盐为硝酸铜。在一个优选的实施例中，锌盐为氯化锌。在一个优选的实施例中，钼盐为钼酸铵。在一个优选的实施例中，钌盐为氯化钌。在一个优选的实施例中，钨盐为钨酸铵。在一个优选的实施例中，铂盐为氯化铂。在一个优选的实施例中，镧盐为乙酸镧。

14、优选地，在所述步骤s3中，用去离子水和无水乙醇对负载在基体上的双金属或三金属层状氢氧化物分别清洗3～5次，在干燥箱100℃下真空干燥3h。

15、根据本发明的上述的制备方法得到的碱性电解水催化剂，其具有2d纳米片堆叠结构，纳米片堆叠成空心球状结构使其比表面积翻倍。特别地，2d纳米片堆叠结构有利于电子转移和氧气产物的析出，纳米片大的比表面积也有利于提升催化性能和电化学稳定性，制备过程中无需热处理等复杂手段。

16、根据本发明的碱性电解水催化剂在工业电解水上的应用，其中，碱性电解水催化剂作为三电极体系中的工作电极。

17、优选地，碱性电解水催化剂在电流密度为10ma/cm2处的过电位介于230mv-420mv之间。在优选的实施例中，碱性电解水催化剂在电流密度为10ma/cm2处的过电位介于236mv-415mv之间。优选地，碱性电解水催化剂在电流密度为10ma/cm2处的过电位介于236mv-323mv之间。更优选地，碱性电解水催化剂在电流密度为10ma/cm2处的过电位介于236mv-318mv之间。更优选地，碱性电解水催化剂在电流密度为10ma/cm2处的过电位介于236mv-276mv之间。更优选地，碱性电解水催化剂在电流密度为10ma/cm2处的过电位介于236mv-268mv之间。更优选地，碱性电解水催化剂在电流密度为10ma/cm2处的过电位介于236mv-254mv之间。应该理解，在电流密度为10ma/cm2处的过电位约低，碱性电解水催化剂的oer性能越优异。根据本发明的碱性电解水催化剂表现出优异的电化学性能，远远超过商业氧化钌和氧化依的oer性能。

18、优选地，碱性电解水催化剂具有高活性和高稳定性。

19、根据本发明的碱性电解水催化剂的制备方法，原料主要是地球中储量丰富的镍源和铁源，来源广泛、环保绿色、安全性高，工艺简单，低温常压，可大规模制备，极大降低制备成本。根据本发明的碱性电解水催化剂，无毒无害，催化性能优于现有技术的高温高压制备的镍铁氢氧化物，即具有优异的oer催化性能，在未来替代商业ruo2和iro2用于电解水制氢的大规模应用中具有较好的前景。总之，本发明无论是从制备简易性、经济性方面还是从催化性能、使用寿命方面，均远远优于现有的电极制备技术，极大提高了工业电解水的经济效益。

技术特征：

1.一种碱性电解水催化剂的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，碱性电解水催化剂为nife-ldh、nifeco-ldh、nifemn-ldh、nifecu-ldh、nifezn-ldh、nifemo-ldh、niferu-ldh、nifew-ldh、nifept-ldh或nifela-ldh。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，基底为泡沫镍、泡沫镍铁、泡沫铁、镍网、不锈钢网、镍铬合金网或镍粉。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，镍盐为硝酸镍、硫酸镍或氯化镍。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，铁盐为氯化铁、硫酸铁或硝酸铁。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，碱为脲、尿素、氨水、氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸氢钠、碳酸钠、碳酸钾或碳酸氢铵。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，镍盐、脲、铁盐和去离子水的比例为0.5mmol～0.625mmol:0.25mmol:0.125mmol～0.5mmol。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s2还包括将钴盐、锰盐、铜盐、锌盐、钼盐、钌盐、钨盐、铂盐或镧盐溶解在去离子中得到混合溶液。

9.一种根据权利要求1-8中任一项所述的制备方法得到的碱性电解水催化剂，其特征在于，该碱性电解水催化剂具有2d纳米片堆叠结构，纳米片堆叠成空心球状结构使其比表面积翻倍。

10.根据权利要求8所述的碱性电解水催化剂在工业电解水上的应用，其特征在于，碱性电解水催化剂作为三电极体系中的工作电极。

技术总结
本发明涉及一种碱性电解水催化剂的制备方法，其包括如下步骤：S1，对基体进行超声处理以去除表面杂质，得到预处理的基体；S2，将镍盐、碱和铁盐溶解在去离子中得到混合溶液，镍盐与铁盐的比例为0.5mmol～0.625mmol:0.125mmol～0.5mmol，将预处理的基体浸泡在混合溶液中在50‑100℃温度下进行水热反应；S3，冷却，清洗，干燥，得到具有纳米片堆叠结构的双金属或三金属层状氢氧化物作为碱性电解水催化剂。本发明还涉及由上述制备方法得到的碱性电解水催化剂及其应用。根据本发明的碱性电解水催化剂的制备方法，工艺简单，低温常压，可大规模制备，极大降低制备成本，得到的碱性电解水催化剂具有优异的OER催化性能。

技术研发人员：李海龙,张林娟,王建强,张皓
受保护的技术使用者：中国科学院上海应用物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/6/5